【摘 要】
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热作模具钢服役环境恶劣,需要承受高温高压、热疲劳、高温熔体冲蚀等过程,恶劣的服役环境导致一系列失效如:变形、熔蚀、磨损、热疲劳开裂等,提升热作模具钢的寿命是工业领域一个重要的问题。本文利用空心阴极离子源辅助离子渗氮设备,分别在N2-H2、N2-CH4、N2-H2-CH4气氛中对H13钢进行低温离子渗氮与氮碳共渗,用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（X
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热作模具钢服役环境恶劣,需要承受高温高压、热疲劳、高温熔体冲蚀等过程,恶劣的服役环境导致一系列失效如:变形、熔蚀、磨损、热疲劳开裂等,提升热作模具钢的寿命是工业领域一个重要的问题。本文利用空心阴极离子源辅助离子渗氮设备,分别在N2-H2、N2-CH4、N2-H2-CH4气氛中对H13钢进行低温离子渗氮与氮碳共渗,用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）、电子探针（EPMA）、对处理后样品的组织、物相、元素分布等进行表征;用纳米压痕仪、维氏硬度计、表面光学轮廓仪和销盘式摩擦磨损仪对渗层的表面硬度、截面硬度、回弹性、渗层脆性以及耐磨性进行表征,得出以下结论:（1）在空心阴极离子源辅助条件下,可实现在H13钢表面的快速渗氮,N2-H2气氛中,在2 h内渗层厚度可达90μm以上,当N2浓度降为3%时,化合物层消失,扩散层保持91μm的厚度;在N2-CH4气氛中,在2 h内渗层厚度可达100μm以上,CH4的添加促使化合物层中ε相含量增多,并有极少量的渗碳体形成;在N2-H2-CH4气氛中,渗层厚度在2 h内在40.6-126μm范围,当N2浓度降为3%时,化合物层消失,扩散层厚度为40.6μm,相比于N2-H2气氛中的无化合物层样品,出现了明显的渗碳体相,生成了更多的铁氮化合物。（2）在H13钢低温离子渗氮与离子氮碳共渗中,脉状组织的成分为铁氮化合物与铁碳化合物;在N2-H2中N2浓度为3%时,以及N2-CH4-H2中N2浓度为3%,CH4浓度为2%时,无脉状组织形成,脉状组织呈现随化合物层消失而消失,其数量与宽度随化合物层中ε相含量增加而增加;N2-H2与N2-CH4组脉状组织宽度在0.3-0.7μm之间,N2-H2-CH4组,N2浓度为23%时,脉状组织宽度达到1.13μm,N2浓度为13%时,脉状组织遍布整个扩散层,渗碳体的出现可能会造成脉状组织异常粗大、分布范围较广。在N2-H2与N2-H2-CH4中降低N2浓度,在N2-CH4中降低CH4浓度,可抑制化合物层中的ε相含量,对脉状抑制组织的形成具有积极意义。（3）所有样品的渗层脆性均为1级;无化合物层样品在30 kg以下压痕周围无裂纹;N2:H2从1:1变为1:9,表观断裂韧度从7.65升高到9.03 MPa·m1/2;N2:CH4从98:2变为90:10,表观断裂韧度从7.71降为7.32 MPa·m1/2;N2:H2:CH4为13:85:2时,表观断裂韧度为9.19 MPa·m1/2。H2能提高溅射效应,对抑制ε相含量,使渗层脆性降低具有积极作用。（4）与基体相比,处理后的样品的耐磨性提高了4-11倍。N2-CH4可能由于表面有更多的石墨C,摩擦系数明显低于其他两组,耐磨性能高于其他两组。各组气氛中耐磨性最高的样品的共同点是有化合物层,且化合物层厚度低、致密、韧性相含量高,故在20 N载荷下,抑制化合物层厚度、提高其致密度以及γ’相含量对提高耐磨性具有积极效果。
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